МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Аззам Хасан Діаб Аль Сатрі

УДК 621.365.5

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ІНДУКЦІЙНИХ

УСТАНОВОК З НЕСИНУСОЇДАЛЬНОЮ ВИХІДНОЮ НАПРУГОЮ

Спеціальність:

05.09.03. Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем електропостачання Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Випанасенко Станіслав Іванович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри систем електропостачання (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сінолиций Анатолій Пилипович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автоматизованого електропривода (м. Кривий ріг),

кандидат технічних наук, доцент Іванов Олексій Борисович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри електричних машин (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа - ВАТ „Український науково-дослідний інститут силової електроніки „Перетворювач” Міністерства промислової політики України, НТР (м. Запоріжжя).

Захист відбудеться „_3_” липня 2003 р. о „_10_” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 42027, м.Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Автореферат розісланий „_2_” червня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор __________________ В.Т. Заїка

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Установки індукційного нагріву матеріалів з джерелами живлення у вигляді дволанкових перетворювачів частоти широко використовують в машинобудуванні і металургії для реалізації таких технологічних процесів як плавка металів і сплавів (сталь, чавун, кольорові метали), термообробка металів (гарт, випалення та ін.), нагрів деталей перед пластичною деформацією (штампування, кування та ін.), операції хіміко-термічної обробки (цементація, азотизація та ін.).

Традиційні способи індукційного нагріву матеріалів базуються на використанні синусоїдальної форми напруги підвищеної частоти. Таку форму напруги на виході автономного інвертора одержують завдяки фільтруючим властивостям електричного кола навантаження. Для успішної реалізації широкого круга електротехнологічних процесів необхідне регулювання активної потужності нагріву в широких межах. Більшість промислових установок реалізує спосіб регулювання потужності шляхом зміни напруги на індукторі. Часто регулювання здійснюють з використанням кола постійного струму, що істотно знижує енергетичні показники установки.

Використання несинусоїдальної вихідної напруги створює додаткові можливості для регулювання потужності нагріву. Вони можуть бути пов'язані із зміною спектрального складу вихідної напруги і рівнів окремих гармонік. Створюються передумови для реалізації регулювання при незмінній напрузі на виході випрямляча, що дозволить підвищити енергетичні показники індукційної установки.

Наукова задача дисертаційної роботи полягає в обґрунтуванні параметрів режиму індукційних установок з несинусоїдальною вихідною напругою, що забезпечують підвищення енергетичних показників і регулювання активної потужності у широких межах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами.

Робота виконана у відповідності з Державною програмою України "Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і аграрному секторі" в рамках напряму "Енергоефективні і ресурсозберігаючі технології генерації, перетворення і використання енергії", а також пов'язана з виконанням бюджетної науково-дослідної роботи "Підвищення енергетичних показників установок індукційного нагріву матеріалів" (тема ГП-285, виконується відповідно до наказу Національного гірничого університету № 200 від 27.12.01, номер держреєстрації 0162U003018).

Ціль роботи і задача дослідження. Основна ціль дослідження – підвищення енергетичних показників індукційної установки шляхом використання режимів роботи з несинусоїдальною вихідною напругою.

Для досягнення цієї мети сформульовані і вирішені наступні задачі:

– розробити математичну модель для розрахунку вихідних параметрів режиму (струму, напруги, активної потужності і її гармонічних складових) індукційної установки;

– виконати аналіз вихідних параметрів і обґрунтувати вибір режимів регулювання активної потужності, що забезпечують високі енергетичні показники;

– створити математичну модель і дослідити перехідні процеси в установці;

– виконати експериментальні дослідження режимів роботи індукційної установки, запропонувати пристрій для регулювання потужності.

Об'єктом дослідження є електромагнітні процеси в електротехнологічних установках індукційного нагріву матеріалів, що використовують дволанкові перетворювачі частоти як джерела живлення.

Предметом дослідження є енергетичні показники індукційної установки, функціональні зв'язки цих показників з параметрами режиму, раціональні параметри, що забезпечують регулювання потужності в широких межах.

Методи дослідження. При виконанні роботи були використані: кусково-припасовочний метод, метод гармонічного аналізу – при дослідженні квазіусталених режимів індукційної установки, метод Рунге-Кутта – при чисельному інтегруванні систем диференціальних рівнянь, пряме перетворення Фурьє – при обґрунтовуванні прийнятих допущень.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей індукційного нагріву з несинусоїдальною напругою на індукторі для підвищення енергетичних показників установки.

Основні наукові положення і результати дослідження, їх новизна.

Наукове положення.

Дискретна зміна частоти слідування імпульсів вихідного струму індукційної установки за умови налагодження частоти однієї із гармонічних складових цього струму на резонансну частоту паралельного коливального контуру навантаження підвищує енергетичні показники установки і забезпечує регулювання активної потужності в широких межах.

Наукові результати.

1. Отримані невідомі раніше аналітичні залежності, що встановлюють зв'язок між параметрами паралельного коливального контуру індукційної установки і її вихідними параметрами режиму (напруга, активна потужність і її гармонічні складові). Залежності складають основу розробленої математичної моделі для дослідження режиму регулювання потужності в електричному колі навантаження.

2. Встановлено, що при налагодженні паралельного і послідовного коливальних контурів установки на частоту однієї з гармонічних складових вихідного струму активна потужність цієї складової є переважаючою. Розлагодження паралельного контуру, що пов'язане з нестабільністю параметрів навантаження індукційної установки, приводить до істотного зниження цієї потужності і зміни потужностей довколишніх гармонік, що слід враховувати при виборі раціональних параметрів режиму.

3. Доведено, що дискретне зменшення частоти слідування імпульсів вихідного струму в процесі регулювання активної потужності індукційної установки приводить до зростання несинусоїдальності вихідної напруги. Ступінь несинусоїдальності знижується із збільшенням добротності паралельного коливального контуру навантаження.

4. Зіставлені енергетичні показники індукційних установок з регулюванням в колі постійного струму і дискретним регулюванням активної потужності. Встановлено, що при використанні трифазної мостової схеми випрямлення в процесі дискретного регулювання знижується споживання повної потужності, потужності спотворення. Дана кількісна оцінка ступеня поліпшення енергетичних показників.

5. Розроблена математична модель для дослідження перехідних процесів в індукційній установці, що орієнтована на аналіз дискретної зміни частоти слідування імпульсів вихідного струму, параметрів навантаження. Визначені параметри установки, при яких перехідні процеси в електричному колі навантаження протікають без виникнення перенапруги на індукторі. Це дозволяє забезпечити прийнятні експлуатаційні режими силового устаткування.

Обґрунтованість і достовірність наукового положення і результатів підтверджена:

– відповідністю допущень, прийнятих у математичних моделях для аналізу квазіусталених і перехідних процесів, задачам моделювання і умовам експлуатації індукційних установок;

– обґрунтовуванням методів, що використовуються для вирішення сформульованих задач;

– зіставленням результатів теоретичних і експериментальних досліджень (регулювальних характеристик, спектральних складів вихідного струму).

Практичне значення результатів роботи полягає в наступному:

– доведено, що особливості дії несинусоїдальної напруги на індукторі можуть бути використані для підвищення енергетичних показників установки;

– доведено, що застосування в установках дискретного регулювання потужності забезпечує зміну цього параметра в широких межах при збереженні високих енергетичних показників;

– встановлені оптимальні параметри режиму регулювання активної потужності (режим налагодження коливального контуру на частоту гармоніки вихідного струму, послідовність дискретної зміни частоти імпульсів);

– дана оцінка енергетичної ефективності розглянутого способу регулювання потужності;

– розроблений пристрій для регулювання потужності, який забезпечує реалізацію теоретично обґрунтованих функцій і параметрів режиму.

Результати аналізу енергетичних показників індукційних установок, способів регулювання активної потужності, розрахунку цієї потужності і її гармонічних складових використані ВАТ “Український науково-дослідний інститут силової електроніки “Перетворювач” Міністерства промислової політики України (м. Запоріжжя) при проектуванні тиристорных перетворювачів частоти, а також ВАТ “Дніпрометиз” (м. Дніпропетровськ) при оцінці можливостей застосування дискретного регулювання потужності в технологічних процесах.

Особистий внесок автора полягає у рішенні наукової задачі дисертаційної роботи.

В роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок автора полягає у наступному: в [1] –отримані аналітичні залежності для розрахунку параметрів режиму, в [3] – отримані регулювальні характеристики індукційної установки, в [4] – виконаний розрахунок і аналіз перехідних процесів, в [5] – запропонована структура пристрою для регулювання потужності, в [6] – проаналізовані режими індукційного нагріву.

Апробація результатів дисертації.

Результати роботи доповідалися на III-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2001 р.); VII Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки – 2002” (м. Київ, 2002 р.); науково-практичній конференції “Інтегровані технології і енергозбереження “ІТЕ – 2001” (Крим, м. Маяк, 2002 р.); IV Міжнародній конференції “Наука і освіта 2001” (м. Дніпропетровськ, 2001 р.); на семінарах Наукової Ради Національної АН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.).

Публікації.

Результати досліджень опубліковані в 7 наукових роботах. В їх числі: 4 статті у фахових виданнях, 2 – матеріали конференцій, 1 – декларативний патент України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 105 найменувань (10 сторінок), 4 додатків (11 сторінок). Загальний об'єм дисертації 155 сторінок, рисунків 44, таблиць 2.

Основний зміст роботи.

У вступі розкрито стан проблеми, обґрунтована актуальність дослідження, сформульована ціль роботи.

В першому розділі розкриті особливості індукційних установок підвищеної частоти, характерні режими їх роботи, способи регулювання потужності, їх переваги та недоліки; проаналізовані можливості для регулювання потужності при несинусоїдальній вихідній напрузі, сформульовані задачі дослідження.

Розглядається індукційна установка, що містить перетворювач частоти і електричне коло навантаження (рис. 1). Дволанковий перетворювач частоти має випрямляч і автономний інвертор. Електричне коло навантаження індукційної установки складається з індуктора і батареї компенсуючих конденсаторів.

Для управління температурними режимами індукційного нагріву необхідно забезпечити регулювання активної потужності в навантаженні. Виходячи із різноманітності температурних режимів нагріву, нестабільності

параметрів навантаження індукційних установок, потрібні значні межі регулювання потужності. Більшість промислових установок забезпечує таке регулювання шляхом зміни рівня синусоїдальної напруги на індукторі. Регулювання здійснюється в колі постійного або змінного струму перетворювача частоти. Регулювання в колі постійного струму (з використанням керованого випрямляча) приводить до зниження енергетичних показників індукційної установки (коефіцієнтів потужності, зсуву, спотворення). Аналіз способів підвищення енергетичних показників керованих випрямлячів свідчить про те, що можливості такого підвищення обмежені, а їх реалізація вимагає ускладнення силової схеми випрямляча або його системи управління. Аналіз методів регулювання синусоїдальної напруги перетворювачів частоти, здійснюваного в колі змінного струму (автономного інвертора), свідчить про те, що загальним недоліком методів, обумовлених зміною кута навантаження автономного інвертора, є низький коефіцієнт потужності кола навантаження. Методи, що пов'язані із зміною форми струму навантаження, реалізуються шляхом ускладнення силової схеми інвертування і тому при їх використанні погіршуються масогабаритні показники перетворювачів.

В установках з несинусоїдальною вихідною напругою існують додаткові можливості для регулювання активної потужності. Вони можуть бути реалізовані шляхом зміни спектрального складу струму індуктора, а також рівнів його окремих гармонік. Задача дослідження полягає в тому, щоб, використовуючи цей підхід, визначити такі режими роботи індукційної установки, при яких будуть забезпечені її високі енергетичні показники і широкі межі регулювання потужності. Високі енергетичні показники можуть бути досягнуті застосуванням некерованого випрямляча. При цьому регулювання забезпечується специфічним управлінням вентилями інвертора. Виникає необхідність обґрунтовування можливостей і отримання характеристик такого регулювання.

При несинусоїдальній напрузі на індукторі слід урахувати залежність його параметрів від частоти. Запропоновано значення параметрів на частотах n-их гармонік виразити через їх значення для резонансної частоти контуру навантаження. Така форма визначення зручна, оскільки межі зміни останніх відомі і зумовлені особливостями технологічних процесів індукційного нагріву.

В другому розділі сформульована задача дослідження вихідних параметрів індукційних установок з несинусоїдальною напругою, створених на базі резонансних автономних інверторів, отримані аналітичні залежності для їх розрахунку, викладені особливості реалізації математичної моделі для аналізу квазіусталених режимів.

Задача дослідження цього розділу полягає у встановленні існуючих зв'язків між вихідними параметрами режиму індукційної установки (струмом, напругою, потужністю) і параметрами паралельного коливального контуру навантаження. Аналіз повинен здійснюватися для умов діючої на індукторі несинусоїдальної напруги з урахуванням залежності параметрів навантаження індукційної установки від частоти.

Показано, що прийнятним для вирішення сформульованої задачі є підхід, що базується на використанні методу гармонічного аналізу і кусково-припасовочного методу в поєднанні із заміною реальної форми вихідного струму установки на інтервалі провідності вентилів інвертора на більш просту – синусоїдальну. Використання такого підходу до рішення поставленої задачі вважається прийнятним із наступних причин:

– істотно спрощуються аналітичні вирази, що описують вихідні параметри індукційної установки;

– існує можливість для виконання всебічного аналізу квазіусталеного процесу з ліквідацією труднощів, що виникають при використанні складних аналітичних виразів;

– існує можливість для виконання аналізу процесів у різних схемотехнічних рішеннях з єдиних позицій, що важливо для порівняльного аналізу;

– підхід ураховує несинусоидальность вихідного струму і напруги установки;

Вихідний струм установки формується з двох різнополярних імпульсів синусоїдальної форми що періодично повторюються

при 0 /nэ

при /nэ 2/nэ (1)

при 2/nэ 2,

де – миттєве значення вихідного струму, віднесене до середнього значення струму випрямляча Id за період слідування імпульсів; I1*, I2* – відносні амплітудні значення прямого і зворотного струму (віднесені до струму Id); = t; – кутова частота слідування імпульсів струму; nэ = св.к/; св.к – кутова частота вільних коливань послідовного контуру інвертора.

Рівень гармонік струму індуктора визначається рівнем цих складових у вихідному струмі індукційної установки, а також опором віток паралельного контуру навантаження на частотах, відповідних гармонічному складу струму.

Модуль повного опору паралельного контура навантаження індукційної установки на частоті n-ої гармоніки

(2)

де – хвильовий опір контуру навантаження; – добротність контуру на його резонансній частоті; nн = о.н/; о.н – кутова резонансна частота контуру навантаження.

Модуль повного опору індуктора на частоті n-ої гармоніки

(3)

Активну потужність Р у паралельному контурі навантаження установки отримаємо із виразу

(4)

де rн – активний опір індуктора на резонансній частоті контуру навантаження; In* = In/Id; In – діюче значення n-ої гармоніки вихідного струму установки, m – кількість урахованих гармонік.

Відношення активної потужності n-ої гармонічної складової Pn до потужності Р

(5)

Аналітичні вирази для розрахунку вихідних параметрів режиму установки склали основу для створення математичної моделі. Модель для аналізу квазіусталених процесів реалізована у вигляді набору програм, створених у системі MathCAD. Вона дозволяє отримати обширу інформацію про вихідні параметри, включаючи режим зміни частоти слідування імпульсів вихідного струму при незмінній напрузі на виході випрямляча Ud.

Третій розділ присвячений аналізу квазіусталених режимів індукційних установок і обґрунтуванню параметрів, що забезпечують високі енергетичні показники та регулювання активної потужності в широких межах.

Аналізу піддані режими, при яких частота імпульсів вихідного струму змінювалася таким чином, що паралельний коливальний контур навантаження виявлявся налагодженим на частоту однієї з гармонічних складових цього струму. При цьому резонансні частоти послідовного коливального контуру інвертора і паралельного контуру навантаження однакові.

Для цих режимів встановлено:

– Рівень гармоніки вихідного струму, на частоту якої налагоджені послідовний і паралельний коливальні контури, перевищує рівень інших гармонік. Розлагодження послідовного контуру, що зумовлене зміною параметрів навантаження, приводить до значного зниження цього рівня.

– Дискретна зміна частоти слідування імпульсів вихідного струму індукційної установки, що супроводжується зміною його спектрального складу і рівнів окремих гармонік при стабільній напрузі на виході випрямляча приводить до зміни активної потужності навантаження. Виходячи з цього, можливе регулювання потужності у широких межах при забезпеченні високих енергетичних показників установки.

Рис. 2 ілюструє залежність . Резонансна частота контуру навантаження співпадає з частотою гармоніки струму в тому випадку, якщо nн приймає цілочисельні значення. Збільшення добротності контуру навантаження Qн приводить до зниження швидкості спаду при зменшенні частоти слідування імпульсів струму. Це пояснюється зменшенням ступеня згасання коливального процесу в контурі з більш високою добротністю.

Результати моделювання квазіусталених процесів дозволили обґрунтувати вибір параметрів режиму регулювання потужності. Регулювання забезпечується при незмінній напрузі на виході випрямляча шляхом дискретної зміни частоти слідування імпульсів вихідного струму установки. Ця зміна здійснюється так, щоб паралельний коливальний контур, який має певну резонансну частоту, виявлявся налагодженим на частоту сусідньої (по відношенню до його попереднього стану) гармоніки вихідного струму.

Показано, що дискретне зменшення частоти слідування імпульсів вихідного струму установки приводить до зростання спотворення синусоїдальності вихідної напруги. Ступінь спотворення знижується із зростанням добротності паралельного коливального контуру навантаження.

Для оцінки енергетичних показників установки при регулюванні потужності розглянуті і зіставлені варіанти: регулювання в колі постійного струму і дискретне регулювання частоти імпульсів вихідного струму з незмінною напругою на виході випрямляча. Для мостової схеми випрямлення виконаний аналіз таких показників як споживані з мережі активна Р, реактивна Q, повна S потужності, потужність спотворення Т, а також енергетичні коефіцієнти: зсуву Кс, спотворення Кu, потужності Км. При цьому ураховувався характер зміни струму Id і напруги Ud в процесі регулювання. Рис. 3 ілюструє залежність відносних (по відношенню до потужності Pdo = UdoIdo, де Udo, Ido – максимальні середні значення випрямленої напруги і струму) значень потужностей установки.

На рисунку штриховою лінією показані криві, що відносяться до регулювання в колі постійного струму, а суцільною лінією – до регулювання при постійному Ud. З рисунка видно, що другий варіант регулювання є більш прийнятним. В процесі регулювання (0 < Р* < 1) споживання реактивної потужності Q у варіанті із зміною Ud приводить до зростання повної потужності S, потужності спотворення Т.

Аналіз рівнів втрат активної потужності в провідниках, що з’єднують перетворювач частоти з індуктором установки, свідчить про практичну рівноцінність варіантів регулювання потужності в колі постійного струму і дискретного регулювання шляхом зміни частоти слідування імпульсів вихідного струму.

В четвертому розділі досліджені перехідні процеси в індукційній установці.

Для дослідження перехідних процесів, що виникають при дискретній зміні частоти слідування імпульсів струму, а також стрибкоподібній зміні навантаження установки, для аналізу форми напруги на навантаженні і вихідного струму установки створена математична модель, яка дозволяє визначити залежність параметрів режиму від часу. Аналізуються процеси в індукційній установці, створеній на базі одноключового резонансного інвертора із зворотним діодом (рис.4). При цьому в математичну модель уведені допущення:

- вентилі – ідеальні ключі;

- реактивні елементи схеми лінійні;

- активні і реактивні опори струмопроводів малі і ними можна знехтувати;

- випрямляч представлений ідеальним джерелом напруги;

- активний опір Rн не залежить від частоти струму.

Розв'язуються системи диференціальних рівнянь (6), (7), що відповідають відкритому (6) і безпроводному (7) стану тиристора

(6) (7)

де – кутова резонансна частота послідовного коливального контуру.

При цьому враховано, що

Рішення системи диференціальних рівнянь здійснювалося методом Рунге-Кутта. Для моделювання процесу дискретної зміни частоти слідування імпульсів вихідного струму заздалегідь розраховувався перехідний процес до виходу на квазіусталений режим. Потім, з певного моменту часу, частота слідування імпульсів струму зменшувалась або зростала (залежно від досліджуваного режиму: переходу з більш низької частоти на більш високу або навпаки). Процес стрибкоподібної зміни навантаження аналізувався аналогічним чином.

Показано, що розглянуті режими роботи установки не приводять до виникнення перенапруги на індукторі, що слід урахувати при проектуванні установок.

В п'ятому розділі викладенні результати експериментальних досліджень, обґрунтована структура і принцип дії пристрою для регулювання потужності.

Для експериментальних досліджень характеристик установки, пов'язаних з дискретним регулюванням потужності, створений макет індукційної установки на базі одноключового резонансного інвертора із зворотним діодом. Макет дозволяє досліджувати режим зміни частоти проходження імпульсів вихідного струму при незмінній напрузі на виході випрямляча.

Експериментальним шляхом підтверджена можливість дискретного регулювання активної потужності в широких межах. Показано, що для перекриття широкого діапазону регулювання достатньо використовувати обмежену кількість гармонік. Підтверджена достовірність теоретичних досліджень по розрахунку активної потужності індукційної установки. В режимі номінального навантаження результати розрахунку і експерименту відрізняються на 6%.

Показано, що рівні 1 – 5 гармонік в заданій формі вихідного струму установки, що використовується для аналізу квазіусталених режимів, незначно (не більш, ніж на 8%) відрізняються від рівнів цих гармонік в струмі, розрахованому методом Рунге-Кутта. Це підтверджує прийнятність прийнятого раніше допущення і його обґрунтованість виходячи з цілі моделювання.

Обґрунтована структура і принцип дії пристрою для дискретного регулювання потужності індукційної установки шляхом стрибкоподібної зміни частоти слідування імпульсів вихідного струму. В процесі регулювання забезпечується налагодження частоти однієї із гармонік цього струму на резонансну частоту коливального контуру навантаження.

Визначені шляхи подальшого використання результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВОК

В дисертаційній роботі вирішена наукова задача обґрунтування параметрів режиму індукційних установок з несинусоїдальною вихідною напругою, що забезпечують підвищення енергетичних показників і регулювання активної потужності в широких межах. Рішення наукової задачі полягає у визначенні функціональної залежності потужності установки від частоти слідування імпульсів вихідного струму, розробці моделей для аналізу квазіусталених і перехідних процесів і обґрунтуванні на цій основі структури і принципу дії пристрою для дискретного регулювання потужності.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень полягають в наступному:

1. В індукційних установках з несинусоїдальною вихідною напругою існують додаткові можливості для регулювання активної потужності. Вони можуть бути реалізовані шляхом зміни спектрального складу струму індуктора, а також рівнів його окремих гармонік. Цей підхід до регулювання перспективний для забезпечення високих енергетичних показників установки.

2. При несинусоїдальній напрузі на виході індукційної установки слід урахувати залежність параметрів індуктора від частоти. Значення параметрів на частотах n-х гармонік запропоновано виразити через їх значення на резонансній частоті коливального контуру навантаження. Це забезпечує зручну форму запису аналітичних залежностей.

3. Отримані невідомі раніше аналітичні залежності, що встановлюють зв'язки між параметрами паралельного коливального контуру навантаження і вихідними параметрами режиму установки. Ці залежності склали основу розробленої математичної моделі для аналізу квазіусталених процесів. Модель дозволяє отримати інформацію про найбільш характерні режими роботи установки і на її основі виконати всебічний аналіз протікаючих процесів, вибір раціональних параметрів виходячи з існуючих умов експлуатації.

4. Встановлено, що при дискретній зміні частоти слідування імпульсів вихідного струму індукційної установки, а також при стабільній напрузі на виході випрямляча спостерігається зміна споживаної активної потужності. Використання таких режимів при додатковій умові збігу резонансної частоти паралельного контуру навантаження з частотою однієї з гармонічних складових струму дозволяє реалізувати регулювання потужності в широких межах і забезпечити при цьому високі енергетичні показники установки.

5. Отримані аналітичні залежності для розрахунку енергетичних показників індукційної установки в режимах із стабільною і зміною в процесі регулювання потужності напругою випрямляча. Для мостової схеми випрямлення визначена кількісна оцінка цих показників. Результати аналізу підтверджують доцільність використання режимів регулювання з дискретною зміною частоти слідування імпульсів вихідного струму установки, їх високу ефективність.

6. Розроблена математична модель для дослідження перехідних процесів в електричному колі навантаження індукційної установки. Модель орієнтована на аналіз режимів, що реалізують дискретне регулювання потужності. Показано, що стрибкоподібна зміна частоти слідування імпульсів струму, добротності паралельного контуру в розглянутих режимах не приводить до виникнення перенапруги на індукторі.

7. Зіставлення результатів теоретичних і експериментальних досліджень залежності активної потужності установки від частоти слідування імпульсів струму підтверджує високий ступінь їх збігу. Співпадає характер залежності, а також кількісні показники активної потужності (в режимі номінального навантаження похибка склала 6%). Обґрунтована прийнятність введеного в модель допущення про синусоїдальність форми прямої і зворотної напівхвиль вихідного струму установки. Це підтверджує достовірність отриманих теоретичних результатів, високу ефективність методів аналізу електромагнітних процесів, що використовуються в роботі.

8. Результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволили обґрунтувати структуру і запропонувати принцип дії пристрою дискретного регулювання потужності індукційної установки. Регулювання досягається стрибкоподібною зміною частоти слідування імпульсів вихідного струму. В процесі регулювання забезпечується також налагодження частоти однієї з гармонік струму на резонансну частоту коливального контуру навантаження установки. Таким чином, реалізується запропонований в дисертаційній роботі алгоритм регулювання активної потужності.

9. Результати аналізу енергетичних показників перетворювачів частоти, способів регулювання активної потужності установки, регулювальних характеристик розробленого пристрою, розрахунку потужності і її гармонічних складових упроваджені ВАТ “Український науково-дослідний інститут силової електроніки “Перетворювач” Міністерства промислової політики України (м. Запоріжжя) при проектуванні тиристорних перетворювачів підвищеної частоти, а також ВАТ “Дніпрометиз” (м. Дніпропетровськ) при оцінці можливостей застосування дискретного регулювання потужності в електротермічних процесах.

Наукове положення і результати опубліковані в роботах:

1. Активная мощность индукционной установки с несинусоидальным выходным напряжением / Выпанасенко С.И., Аззам Хасан Диаб Аль Сатри // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2001. – Вип. 66. – с. 22 – 27.

2. Математическая модель для анализа переходных процессов в индукционной установке / Аззам Хасан Диаб Аль Сатри // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2002. – Вип. 68. – с. 24 – 29.

3. Выпанасенко С.И., Аззам Хасан Диаб Аль Сатри. Дискретное регулирование мощности в электротехнологической установке индукционного нагрева // Техн. электродинамика. Тематичний випуск Ч. 7 – 2002 – с. 66 – 68.

4. Переходные процессы в индукционной установке с дискретным регулированием мощности / Выпанасенко С.И., Аззам Хасан Диаб Аль Сатри // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2002. – Вип. 69. – с. 33 – 37.

5. Деклараційний патент 46533 України, МКИ Н02М7/48. Пристрій регулювання потужності дволанкового перетворювача частоти / Випанасенко С.І., Аззам Хасан Диаб Аль Сатри. – Опубл. 15.05.02, Бюл. № 5.

6. Випанасенко С.І., Аззам Хасан Диаб Аль Сатри. Енергозберігаючі режими високочастотних індукційних установок // Проблеми економії енергії. Збірник матеріалів III Міжнародной науково-практичної конференції. Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. – 2001. – с. 28.

7. Аззам Хасан Диаб Аль Сатри. Индукционные установки с несинусоидальным выходным напряжением // Тези доповідей IV Міжнар. конф. “Наука і освіта 2001”. Том. 10. Технічні науки. – Дніпропетровськ: Наука і освіта. – с. 3 – 4.

АНОТАЦІЯ

Аззам Хасан Діаб Аль Сатрі. Обґрунтування параметрів режиму індукційних установок з несинусоїдальною вихідною напругою: – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 “Електротехнічні комплекси та системи”. Національний гірничий університет. Дніпропетровськ, 2003.

Захищаються результати обґрунтування вибору параметрів режиму індукційної установки з несинусоїдальною вихідною напругою, що забезпечують її високі енергетичні показники. Регулювання потужності установки здійснюється при стабільній напрузі на виході випрямляча шляхом дискретної зміни частоти імпульсів вихідного струму. Обґрунтована структура та запропонований принцип дії пристрою для регулювання потужності.

Ключові слова: індукційна установка, енергетичні показники, регулювання потужності, несинусоїдальна напруга.

АННОТАЦИЯ

Аззам Хасан Диаб Аль Сатри. Обоснование параметров режима индукционных установок с несинусоидальным выходным напряжением: – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 “Электротехнические комплексы и системы”.Национальный горный университет. Днепропетровск, 2003.

Диссертационная работа посвящена обоснованию параметров режима индукционной установки с несинусоидальным выходным напряжением. Регулирование активной мощности обеспечивается при неизменном напряжении на выходе выпрямителя путем дискретного изменения частоты следования импульсов выходного тока. При этом установка в процессе регулирования имеет высокие энергетические показатели.

Показано, что обеспечение высоких энергетических показателей установки (снижение потребляемой реактивной мощности, мощности искажения) с несинусоидальным выходным напряжением достигается изменением спектрального состава, а также уровней гармоник выходного тока. При несинусоидальном напряжении на выходе установки следует учитывать зависимость параметров индуктора от частоты. Предложено значения параметров на частотах n-ных гармоник выражать через их значения на резонансной частоте колебательного контура нагрузки. При такой форме представления пределы изменения последних известны и определены особенностями технологических процессов индукционного нагрева.

Создана математическая модель для анализа квазиустановившихся процессов в нагрузке индукционной установки. Установлено, что при дискретном изменении частоты следования импульсов выходного тока, а также при стабильном напряжении на выходе выпрямителя наблюдается изменение потребляемой активной мощности. Выполняя условие совпадения резонансной частоты параллельного контура нагрузки с частотой одной из гармонических составляющих выходного тока можно реализовать регулирование мощности в широких пределах и обеспечить при этом высокие энергетические показатели.

Получены аналитические зависимости для расчета энергетических показателей при использовании мостовой схемы выпрямления. Результаты анализа подтверждают целесообразность предложенных режимов регулирования мощности, их высокую эффективность.

Для обоснования режимов регулирования мощности разработана математическая модель и исследованы переходные процессы в индукционной установке. Показано, что дискретное изменение частоты следования импульсов выходного тока, а также скачкообразное изменение нагрузки индукционной установки в рассмотренных режимах не приводят к возникновению перенапряжений на зажимах индуктора.

Оценка достоверности полученных в работе научных результатов осуществлялась путем сопоставления результатов теоретических исследований и эксперимента. Создан макет установки и экспериментальным путем подтверждена возможность дискретного регулирования в широких пределах активной мощности. Подтверждена обоснованность принятых в анализе квазиустановившихся процессов допущений.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили обосновать структуру и предложить принцип действия устройства для регулирования мощности. При скачкообразном изменении частоты следования импульсов выходного тока обеспечивается настройка частоты одной из гармоник тока на резонансную частоту колебательного контура нагрузки установки.

Результаты диссертационной работы внедрены ОАО “Украинский научно-исследовательский институт силовой электроники “Преобразователь” Министерства промышленной политики Украины (г. Запорожье), а также ОАО “Днепрометиз” (г. Днепропетровск).

Ключевые слова: индукционная установка, энергетические показатели, регулирование мощности, несинусоидальное напряжение.

ANNOTATION

Azzam Hasan Diab Al Satri. Ground parameters mode induction installatoin with non sinusoidal output voltage: – Manuscript.

Dissertation on competition is scientific degree candidate of technical sciences by speciality 05.09.03 “Electrical engineering complexes and systems”. National mining university. Dnepropetrovsk, 2003.

There are on the defensive results ground choise parameters mode induction installatoin with non sinusoidal output voltage, that secure its high energetic performances. Power regulation of installation is carried out at stable voltage on rectifier out by discrete change frequency impulses of output current. The structure is grounded and offered action principle of device for power regulation.

Key words: induction installatoin, energetic performances, power regulation, non sinusoidal voltage.

АЗЗАМ ХАСАН ДІАБ АЛЬ САТРІ

Обґрунтування параметрів режиму індукційних

установок з несинусоїдальною вихідною напругою

Спеціальність: 05.09.03. Електротехнічні комплекси та системи

(Автореферат)

Підписано до друку 24.04.03. Формат 30?42/4.

Папір Captain. Ризографія. Умовн. друк. арк. 0,9.

Обліково-видавн. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. №

Безкоштовно.

РВК НГУ

49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К.Маркса, 19.